基于知识图谱的激光雷达技术可视化分析

杨利金 张守忠 王 蕾

（1.黑龙江科技大学矿业工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022；2.东北林业大学园林学院，黑龙江 哈尔滨 150040；3.黑龙江省寒区园林植物种质资源开发与景观生态修复重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150040）

信息化世界的到来对各行各业的发展提出了更加精细化的要求。遥感技术作为一种宏观、实时以及动态范围大的新兴对地观测技术，通过借助不同时空尺度下，光学、微波不同波长传感器的观测成像优势，克服了许多行业在调查过程中存在人为因素干扰、周期长以及过多人力物力资源投入等缺陷[1-2]。其中，激光雷达技术（Light Detection and Ranging，LiDAR）是一种新兴的主动遥感技术，以提供包括高度的三维空间信息，弥补了传统光学被动遥感只能提供二维平面信息的缺陷。激光雷达技术凭借精准的测距能力和高精度的三维空间信息，被广泛应用于林业、农业、测绘、气象和建筑业等领域[3]。因此，研究激光雷达技术的研究热点和发展能够挖掘该技术在不同领域内的发展潜力和应用现状，对进一步发展、应用激光雷达技术具有重要意义。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

该文选择Science Citation Index（科学引文检索）数据库中Web of Science核心合集数据库的文献作为激光雷达技术研究文献的数据库来源。为了提高检索的精确度，将检索主题设置为“Light Detection and Ranging”和“lidar”，时间跨度为2000—2021年，共检索到4 351条文献记录数据。将检索到的文献记录数据以纯文本的文件格式进行输出，导入CiteSpace知识可视化分析软件中进行预处理，最终得到以年为单位的激光雷达领域的有效文献记录数据4 340篇，其中期刊4 237篇，评论103篇。

1.2 研究方法

科学知识图谱是科学计量学的新发展领域，能够以图形的方式来表示研究内容的发展进程与结构关系，可以形象地展示各知识单元或知识群之间的复杂关系[4]。可视化分析是指用直观的、便于理解的图形、图像来代替数据和符号，便于全面、形象且具体地表示数据的内在含义[5]。其中，CiteSpace可视化分析软件综合了以上2种方法的优势，该软件是由美国德雷克塞尔大学信息科学与技术学院学者陈超美教授基于Java语言开发的一款可视化软件。在研究中使用CiteSpace软件的研究机构共现分析、共词网络分析以及合作网络分析功能，对生成的知识图谱进行解读时，主要针对高频节点、高中介中心性和突现性的节点，从各个方面来分析目前激光雷达技术的研究现状，直观地表达相关研究的发展趋势。

2 激光雷达技术研究的时空知识图谱及分析

2.1 时间分布图谱

按年度对检索到的研究文献进行统计，并绘制成激光雷达领域研究文献的时序分布图，如图1所示。由图1可以看出，2003—2007年激光雷达技术的研究尚处于初步探索阶段，虽然激光雷达技术于20世纪60年代已经问世，但是这期间年均发文量均少于100篇，说明学者们对激光雷达的研究才刚刚起步，尚不成体系；2008—2017年是缓慢增长阶段，学者们对激光雷达技术的研究开始逐年上升，除2010—2011年的年增长量超过50篇，其余年增长量均小于50篇且出现综合性的研究；2018年以来，激光雷达技术快速增长且年增长量大于50篇，表明研究受到学者们的关注，进入蓬勃发展阶段。相关研究的发文量在2020年达到最大值（652篇），这说明虽然2020年世界遭受了新冠疫情的影响，但却未影响学者们对激光雷达技术的研究，目前，截至2021年3月的文献发表数量为139篇，但按该增长态势来看，2021年激光雷达技术仍是研究的热点领域之一，文献发表数量将再创新高。通过对激光雷达领域的年发表文献数量进行可视化分析可以说明，当前激光雷达技术领域的研究仍然是学界的研究热点。

图1 激光雷达领域研究文献的时序分布图

2.2 空间分布图谱

通过对相关文献的研究机构进行合作网络特征分析，可以深入探究该领域内学者所在机构之间的合作关系特征[6]。图2中共有584个节点，其中美国航空航天局、中国科学院以及不列颠哥伦比亚大学3个节点存在紫色的外圈，表明具有高中介中心性，中介中心度分别为0.19、0.16和0.12。中介中心性是测度节点在网络中重要性的一个指标，如果一个节点的中介中心度越高，就证明该节点在该网络中的重要性越大[7]。

研究机构知识图谱中的中国科学院节点明显大于其他节点，其中介中心度为0.16，说明该节点是激光雷达技术研究领域的关键枢纽，与其他大多数研究机构联系密切。从节点大小上可以判断研究机构发文量的数量关系；图2中，中国科学院、武汉大学、美国林业部·美国森林服务、不列颠哥伦比亚大学、美国地质调查局以及美国航空航天局等节点明显大于其他节点，说明以上研究机构在该领域的发文量明显多于其他研究机构；观察知识图谱中研究机构节点的颜色可以发现，大多数节点的颜色是由内向外逐渐变浅，并且随着年份的增加，每年的年轮宽度是逐渐增宽的，说明激光雷达领域的文献数量逐年增加，其相关研究正处于上升期和蓬勃发展阶段。各个节点间的浅色连线线段的不断增加也表明了各个研究机构之间的联系和合作交流也在不断增加。

图2 研究机构共现知识图谱

排名前20位的研究机构总发文量为1 296篇（见表1），其中发文量超过100篇的有中国科学院和武汉大学，合计发文336篇，占总发文量的25.9%；发文量前5位的机构共有6所，分别是中国科学院、武汉大学、美国林业部·美国森林服务、不列颠哥伦比亚大学、美国地质调查局和美国航空航天局，占发文总量的50.8%，说明激光雷达领域的发文量主要集中在前6所机构，其他机构的发文量相对较少，集聚特征明显。从国家来看，主要研究机构分布在中国、美国和加拿大；其中，中国研究机构的数量有6个，发文量为516篇，占发文总量的39.8%；美国研究机构的数量为10个，发文量为566篇，占发文总量的43.7%，2个国家的机构占比和发文量分别达80%、83.5%，是最主要的研究国。加拿大的研究机构有4个，发文量仅为214篇，占发文总量的16.5%，上述数据表明我国研究机构对激光雷达的研究更为密集、系统，而美国研究机构则较为分散。

表1 主要研究机构地域分布和发文量统计

3 研究热点与研究前沿分析

3.1 研究热点分析

词频是指所分析的文献中关键词出现的次数，该研究运用的词频分析法是借助CiteSpace软件来提取激光雷达技术文献中能够表达其核心内容的关键词或主题词，根据关键词的词频大小来研究该领域发展动向和研究热点的方法。不同时期出现的高频词汇代表了当时的研究热点与学术前沿，图3是激光雷达技术研究文献的关键词共现知识图谱。从图3中可看出，激光雷达技术的研究热点主要集中于激光雷达、模型、机载激光雷达、分类、遥感、植被、生物量、森林、算法以及高度等方面。

图3 关键词共现知识图谱

将表2中的高频率关键词按中介中心度的大小进行排序，排名前三名的关键词是分类、机载激光雷达和植被，其中介中心度分别是0.05、0.04和0.03，表明分类、机载激光雷达和植被是研究的主要领域。最早应用激光雷达数据/技术来进行分类的研究始于2004年，学者们基于激光雷达数据的特点，通过对分类地面像素进行新的插值来得出数字地形模型，其研究呈总体上升的趋势，研究论文总计361篇。在2020年以分类为关键词的激光雷达技术研究文献数据量达到最大值，共计62篇；以机载激光雷达为关键词的研究文献共计403篇，自2004年学者们开启了应用机载激光雷达数据的新纪元，2009年相关领域的研究文献才超过10篇，2020年的年发表量最大（51篇）；以植被为关键词的研究文献共计290篇，其中被引用最多的研究文献是2008年Kerri等学者简要概述了激光雷达技术，讨论了激光雷达数据在动物栖息地关系调查中的最新应用，并建议将该技术应用到广泛物种管理和保护上[8]，引用频次高达338次。

表2 激光雷达技术研究论文中高频率关键词

综合CiteSpace软件提取的高频率关键词与Web of Science上的研究方向，可以发现激光雷达技术的研究主要集中在遥感、影像科学与摄影技术、环境与生态科学、工程学、地质学以及自然地理学方面。同时，激光雷达技术已应用到林业、矿业、建筑测量、地形测绘、自然灾害评估以及无人驾驶等研究领域。

3.2 研究前沿分析

关键词突现图谱可以反映某一时期激光雷达技术的研究方向和研究前沿，突现性强的关键词的出现表明某时期学者发现了新的研究领域、研究视角，从而成为一定时期的学术前沿。由图4可以观察到共20个突现关键词，其中树高、冠层结构和基底面积为最早突现的关键词，持续时间分别是2003—2012年、2003—2011年和2003—2012年，这表明激光雷达技术早期的研究重点是提取森林结构参数——树高、冠层结构和胸高断面积，且树高和冠层结构的突现强度值排在前2名，表明激光雷达技术出现以来，学者们就认识到该技术在提取森林结构参数的优势与重要性，因此森林结构参数——树高、冠层结构等参数的提取成为学者们重点关注的对象。

图4 关键词突现知识图谱

通过对所有关键词的突现强度进行对比，发现激光扫描仪数据的突然强度值大于10，证明其是激光雷达技术研究过程中重要的转折点。2007年开始突现的“气溶胶”和“植被”、2008年的“多光谱图像”、2010年的“小足迹激光雷达”以及2011年开始突现的“光检测”等可以反映出一定范围内这些研究热点词在当时的发展状况。按照突现强度的大小，对激光雷达技术研究领域的关键词进行排序，分别为冠层结构、树高、激光扫描仪数据、支架、机载激光扫描、植被、小足迹、气溶胶、高度/高程、树干材积、数字地面模型、密度激光雷达、小足迹激光雷达、机载激光扫描仪、多光谱图像、清点、基底面积、数字高程模型、体积以及光检测，对以上关键词进行总结归纳可知激光雷达技术领域的主要研究方向为森林结构参数、植被、滑坡、三维激光扫描、机载激光扫描技术、小足迹激光扫描、多源（多光谱）数据融合以及3D数据产品（数字高程模型、数字地表模型和数字地面模型）。

4 结论与展望

该文基于CiteSpace软件，以知识图谱的方式对2000—2021年Web of Science核心数据库中的文献进行可视化分析。主要结论如下：1） 激光雷达技术的研究经历了初步探索（2003—2007年）、缓慢增长（2008—2017年）以及蓬勃发展（2018年以来）3个阶段，研究机构主要集中在中美2个国家；其中，中国科学院是激光雷达技术研究领域的关键枢纽，发文量居第一位且与其他大多数研究机构联系密切。2）遥感、影像科学与摄影技术、环境与生态科学、工程学、地质学以及自然地理学是激光雷达技术研究的热点领域，主要运用多源数据（哨兵2号数据、激光雷达数据、地面高程数据和多光谱激光雷达数据等）进行研究区的特征提取、矿区地形监测、建筑测量、地表破裂变化及无人驾驶飞机系统的研究工作。3） 森林结构参数提取一直是激光雷达技术的研究重点。主要研究方向为森林结构参数、植被、滑坡、三维激光扫描、机载激光扫描技术、小足迹激光扫描、多源（多光谱）数据融合以及生产3D数据产品（数字高程模型、数字地表模型和数字地面模型）。

激光雷达技术的研究正处于蓬勃发展时期，研究成果也呈爆炸式增长。随着激光雷达技术在多领域、多行业内的深入运用及高分辨率遥感技术的快速发展，未来激光雷达技术领域的研究将会被更广泛、更深入地应用到各个领域中，中国在未来也将逐渐成为研究该领域的热点国家。